Eine elektronische Nase riecht Kaffee, schickt die Messdaten über das Internet, und ein Armband am anderen Ende verströmt denselben Duft. Diesen Prototyp stellt ein Team der Ohio State University in Columbus im Fachjournal Science Advances vor. Neben Kaffee erkennt das System bisher Bier, Rotwein, Kuchen und Mandarinen. 14 Freiwillige erkannten die übertragenen Düfte in knapp 73 Prozent der Fälle. Duftmoleküle reisen dabei nicht mit, sondern nur Daten: Das Armband setzt vorab eingefüllte Duftstoffe als feinen Nebel frei.
Bilder, Videos und Sprachnachrichten schicken Menschen täglich milliardenfach um die Welt. Selbst Berührungen lassen sich inzwischen über vibrierende Handschuhe oder Westen übertragen. Der Geruchssinn dagegen fehlt in der digitalen Kommunikation fast völlig, obwohl er eng mit Erinnerungen, Gefühlen und dem Geschmack des Essens verknüpft ist. Wer seiner Familie ein Foto vom selbst gebackenen Kuchen schickt, kann den Duft aus dem Ofen bislang nicht mitliefern. Genau diese Lücke wollen Materialwissenschaftler um Chunyu Yang und Jinghua Li von der Ohio State University in Columbus schließen. Gemeinsam mit dem Zhejiang Laboratory im chinesischen Hangzhou stellen sie ihr System namens Scentronic im Fachjournal Science Advances vor.
Das Grundproblem beschreiben die Forscher selbst: Für das Sehen genügen drei Grundfarben, aus denen jeder Bildschirm jedes Bild mischt. Für Gerüche gibt es keinen solchen einfachen Baukasten. Ein Duft besteht oft aus Hunderten flüchtiger Verbindungen, und die menschliche Nase besitzt rund 400 verschiedene Typen von Riechrezeptoren, deren Signale das Gehirn zu einem Gesamteindruck verrechnet. Ein Gerät, das Gerüche wirklich eins zu eins aufnimmt und wiedergibt, ist deshalb nach wie vor außer Reichweite.
Die Forscher gehen das Problem pragmatisch an. Statt einen Duft chemisch vollständig zu zerlegen, soll ihr System ihn nur erkennen und einer Kategorie zuordnen. Herzstück ist eine elektronische Nase aus sechs handelsüblichen Gassensoren auf Basis von Zinndioxid. Treffen flüchtige Stoffe wie Ethanol aus Bier und Wein, Limonen aus Zitrusfrüchten oder Diacetyl auf die beheizte Sensoroberfläche, reagieren sie mit dort angelagertem Sauerstoff. Dadurch sinkt der elektrische Widerstand des Sensors, und die gemessene Spannung steigt. Weil jeder der sechs Sensoren etwas anders dotiert ist und bei einer anderen Temperatur arbeitet, entsteht für jeden Duft ein eigenes Muster aus sechs Signalen, eine Art elektronischer Fingerabdruck.
Um diese Fingerabdrücke lesen zu können, trainierte das Team Verfahren des maschinellen Lernens. Dazu hielten die Forscher jede der fünf Proben 50-mal für jeweils rund 200 Sekunden vor die Sensoren, insgesamt 250 Messreihen. Als Duftquelle diente jeweils ein einziges Produkt: ein Bier, ein Rotwein, kalt gebrühter Kaffee, Mandarinen und süße Brötchen für den Kuchenduft. Das beste Verfahren, ein sogenannter Nächste-Nachbarn-Algorithmus, ordnete im zurückgehaltenen Testdatensatz alle Proben richtig zu, in der Kreuzvalidierung lag die Trefferquote bei 98,5 Prozent. Auffällig war ausgerechnet der Kaffee: Er lieferte die schwächsten Signale, weil viele seiner Aromastoffe von den verwendeten Sensoren kaum erfasst werden. Erkannt wurde er trotzdem.
Ist ein Duft erkannt, schickt das System lediglich diese Information über WLAN an einen Cloud-Server, der sie an das Empfangsgerät weiterleitet. Die reine Übertragung dauerte in den Tests zwischen 57 und 76 Millisekunden, im Mittel etwa 65 Millisekunden. In einem einfachen Versuch, bei dem ein Sensor die Alkoholkonzentration in der Luft maß und ein entferntes Duftgerät live nachsteuerte, reagierte die gesamte Kette nach rund 0,6 Sekunden. Bis die elektronische Nase einen echten Duft sicher einordnet, können allerdings mehrere bis einige Dutzend Sekunden vergehen.
Wichtig für das Verständnis: Durch die Leitung reist kein einziges Duftmolekül. Das Empfangsgerät enthält kleine Kammern mit vorab eingefüllten Duftflüssigkeiten, je eine für Kaffee, Bier, Rotwein, Kuchen und Mandarinen. Das Prinzip ähnelt einem Drucker, der nur die Farben drucken kann, die als Patrone eingesetzt sind. Ein Duft, für den keine Kammer existiert, lässt sich auch nicht wiedergeben. Die Forscher sprechen deshalb offen von einer Rekonstruktion auf Ebene der Kategorie und nicht von einer chemisch exakten Kopie. Für viele Anwendungen genüge es aber, wenn der Empfänger einen Duft sicher als Kaffee oder Mandarine wahrnimmt.
Der Duftgeber selbst, der dem ganzen System seinen Namen gibt, ist erstaunlich simpel aufgebaut. In einem 3D-gedruckten Gehäuse saugt ein Baumwolldocht Duftflüssigkeit aus einer kleinen Kammer und hält sie an eine piezoelektrische Scheibe. Diese Scheibe schwingt unter Wechselspannung rund 110.000-mal pro Sekunde und presst die Flüssigkeit durch winzige Poren, sodass ein feiner, kaum sichtbarer Nebel entsteht. Über die Taktung der Schwingung lässt sich steuern, wie stark und wie lange ein Duft austritt. Bei voller Leistung zerstäubt das Gerät bis zu knapp einen Milliliter pro Minute, im sparsamen Betrieb reicht eine Füllung für mehr als eine halbe Stunde.
Das Team baute mehrere Varianten: ein Armband mit zwei Duftkanälen, das man bei Bedarf an die Nase hebt, ein Handgerät mit fünf Kanälen und eine Halskette, an der fünf Duftkapseln wie Perlen aufgereiht sind. Selbst nach einer Stunde Dauerbetrieb erwärmte sich das Gerät auf höchstens 35,8 Grad Celsius und bleibt damit ungefährlich für die Haut. Ein Akku mit 400 Milliamperestunden reicht laut den Messungen für etwa fünf Stunden mit einem aktiven Kanal oder rund eine Stunde, wenn alle fünf Kanäle gleichzeitig arbeiten.
Ob die verschickten Gerüche auch bei Menschen ankommen, testeten die Forscher mit Freiwilligen aus dem Umfeld der Universität. Die Teilnehmer lernten die fünf Düfte vorher anhand beschrifteter Proben kennen und rochen dann direkt am Gerät. Anschließend gab Scentronic die Gerüche in zufälliger Reihenfolge ab. Die 14 Teilnehmer ordneten die Einzeldüfte in 72,9 Prozent der Fälle richtig zu, beim bloßen Raten wären es 20 Prozent gewesen. Selbst Mischungen aus zwei Düften, etwa Kaffee mit Mandarine oder Bier mit Kuchen, erkannten sie zu 71,4 Prozent. Schwieriger war die Stärke: Fünf Intensitätsstufen eines Alkoholgeruchs brachten die Probanden nur in 58,6 Prozent der Fälle in die richtige Reihenfolge.
Die Autoren räumen ein, dass ihre Versuche einfach angelegt waren und nur wenige Kontrollbedingungen enthielten, was Verzerrungen begünstigen kann. Auch die Gruppe war klein. Für belastbare Aussagen über die Wahrnehmung vieler Menschen seien größere und strenger kontrollierte Studien nötig. Zudem zeigte sich, wie unterschiedlich Nasen arbeiten: Wie schnell sich die Teilnehmer an einen Dauerduft gewöhnten, schwankte von Person zu Person stark.
Weil Geschmack zu einem großen Teil aus dem Geruch entsteht, gingen die Forscher noch einen Schritt weiter. Sie bauten einen digitalen Becher mit fünf Duftgebern im Deckel und fünf kleinen elektromagnetischen Pumpen in der Wand. Erhält der Becher ein Signal, tropft eine passende Aromaflüssigkeit ins Wasser, während von oben der zugehörige Duft aufsteigt. In einer Vorführung mit einer Mixed-Reality-Brille griff ein Nutzer nach einem virtuellen Bier oder Kaffee in einem eingeblendeten Regal, und der echte Becher lieferte dazu passend Geschmack und Geruch. Wie überzeugend dieses Erlebnis wirkt, haben die Forscher bislang nur in Vorversuchen untersucht.
Dass Duft und Gehirn eng zusammenarbeiten, zeigen auch andere Untersuchungen, etwa zur Frage, wie Kaffeeduft die Leistung in Mathetests beeinflusst. Ganz neu ist die Idee digitaler Düfte nicht. Duftmodule für Virtual-Reality-Brillen und tragbare Duftgeber haben andere Gruppen bereits vorgestellt, unter anderem in Nature Communications. Neu an Scentronic ist laut den Autoren die Kombination aus Erkennen und Wiedergeben in einem kompakten, über das Internet verbundenen System, sodass ein Duft an einem Ort aufgenommen und an einem anderen nachgebildet werden kann. Die vollständige Beschreibung ist in der Studie in Science Advances frei zugänglich.
Die naheliegendste Anwendung sehen die Forscher in der Medizin. Nach einer Covid-Erkrankung, nach Kopfverletzungen oder bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson verlieren viele Menschen ihren Geruchssinn ganz oder teilweise, oder sie nehmen Düfte verzerrt wahr. Heute prüfen Ärzte das meist mit Riechstiften oder Rubbelkarten in der Praxis. Ein ferngesteuertes Duftgerät könnte solche Tests nach Hause verlagern, die Duftstärke schrittweise erhöhen und so genau bestimmen, ab wann ein Patient etwas riecht. Auch ein gezieltes Riechtraining zur Rehabilitation wäre denkbar.
Daneben nennen die Autoren Online-Einkauf, bei dem Kunden etwa ein Parfüm vorab probieren, intensivere Erlebnisse in Spielen und virtuellen Welten sowie Videotelefonate, bei denen Familienmitglieder den Duft eines Essens teilen. Für Astronauten oder Soldaten, die oft eintönige Rationen essen, könnte zusätzlicher Duft Mahlzeiten appetitlicher machen. Finanziert wurde die Arbeit unter anderem von der US-Forschungsförderung NSF, den National Institutes of Health und der Forschungsagentur des US-Verteidigungsministeriums DARPA. Konkurrierende Interessen bestehen nach Angabe der Autoren nicht.
Von einer Duft-Flatrate für das Smartphone ist die Technik noch weit entfernt. Die elektronische Nase kennt nur fünf Gerüche, jeweils von einer einzigen Marke, und müsste für jeden weiteren Duft neu trainiert werden. Das Empfangsgerät wiederum braucht für jeden Geruch eine eigene Kammer mit passender Flüssigkeit. Mit dem feinen Unterscheidungsvermögen einer menschlichen oder gar einer Hundenase, die etwa Stress beim Menschen mit hoher Genauigkeit riechen kann, kann das System nach Einschätzung der Autoren nicht mithalten.
Die Forscher wollen deshalb mehr Sensoren, bessere Erkennungsverfahren und mehr Duftkanäle kombinieren, um künftig auch komplexere Duftprofile zu mischen. Zusammen mit Fachleuten für Geruchsforschung planen sie standardisierte Testverfahren, und auch Messungen der Hirnströme während der Duftabgabe halten sie für möglich. Bislang handelt es sich um einen reinen Forschungsprototyp. Dennoch zeigt Scentronic, dass sich der lange vernachlässigte Geruchssinn grundsätzlich in die digitale Kommunikation einbinden lässt, zumindest für eine kleine Auswahl vertrauter Düfte.
Science Advances, Scentronic: An artificial intelligence–assisted olfactory interface for remote odor sharing and transmission; doi:10.1126/sciadv.aee9266
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